1

中性子ビームの供給・利用の現状・動向中性子ビームの供給・利用の現状・動向

日本原子力研究所東海研究所

中性子利用研究センター

藤井保彦、森井幸生

資料２－２

平成17年6月7日

2

JRR-3における中性子ビーム実験設備1990 完成, 熱出力: 20MW, 熱中性子ビーム強度：3x1014 n/cm2s 最大出力年間運転日数：175 日/年 (25日/ｻｲｸﾙ x 7ｻｲｸﾙ)中性子散乱装置: 25 台 (原研11台+大学14台)即発γ線分析装置: 2 台 （原研）, 中性子ﾗｼﾞｵｸﾞﾗﾌｨ装置: 2 台（原研）利用分野： 物理、化学、生物、医学、材料、工学の基礎・応用

3

JRRJRR--3 3 中性子ビーム実験利用の推移中性子ビーム実験利用の推移

JRR-2運転開始

JRR-3運転開始

JRR-3M運転開始

(人・日)

377

2507 27693199

50926051

69327875

3286

6646

3670

5817 6215

346

2027

3390

4477

8392

8485

8660

9022

4752

10427

7640

994810102

6675

8513

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

1960 1962 1970 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

大学 装置利用

原研 装置利用

8054

10097

2004

原子炉長期停止

原子炉長期停止

（年度）

4

JRR-3における中性子散乱実験利用の需給日数の推移JRRJRR--33における中性子散乱実験利用の需給日数の推移における中性子散乱実験利用の需給日数の推移

1050 1032 1068 1362 855 11481538 1745 1681

15752100 1782

2100

1235

2418

1664

22122415

16741964

21442002

65336576

4516

5755 5288

6264 6059

6911 68826369

6793

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

大学

実績日数

延べ日数（日）

原研

申請日数

1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

年 度

（中性子散乱実験による利用）

01020304050607080

産業利用延べ日数（日）

5

ビーム実験利用

照射利用

：所外

：所内

：所外

：所内

158

(3%)

246

(5%)

152

(3%)

1976

2269

9068164

82 152

4245 (1%)

全実験利用実績

４，８０１日

中性子散乱

化学反応実験中性子即発γ線分析

中性子ラジオグラフィ

2003年度

2004年度

63(4%)

136 (8%)

14(1%)

178

1324

1845

136

1502 (87%)

照射キャプセル数

１，７２５個

放射化分析

シリコン

照射

RI製造

核物理：１（所内）照射損傷：１（所内） その他：１２（所内）

２（所外）

放射化分析

2,093 (82%)

その他24 (1%)

1,820

273

305

91

RIの

製造

104(4%)シリコン

照 射

305(12%)

原子炉燃料・材料20 (1%)

2013

照射キャプセル数

２，５４６個所

外

所 内

全実験利用実績

６，０２７日

所

内

2,280

所

外

2,800

90126

350

中性子散乱5,080 (84%)

中性子ラジオグラフィ

216(4%)

中性子即発γ線分析

445(7%)

95

医療照射・特性測定等 73(所内 18 所外 55)その他 31

(所内 12 所外 19)

低温化学実験

182(3%)

31(0.5%)

73(1.5%)

JRR-3 JRR-4における中性子ビーム実験利用及び照射利用

6

JRR-3における中性子ビーム実験の分野別利用（２００４年度）

三菱重工業ひたちなかテクノセンター三菱総合研究所日立製作所発電設備技術検査協会ﾄﾖﾀ自動車石川県工業試験場物質・材料研究機構材料研究所

(残留応力解析・材料構造解析)

産業技術総合研究所

(熱電材料機能解析)

産 業 利 用 企 業 ・ 機 関

0

500

1000

1500

利用日数（

日）

0

50

100

150

200

250

300

テー

マ数（

件）

利用日数 テーマ数

構造 磁性 超伝導 液体・不規則物質

生物 高分子 装置 基礎物理 その他

(生体物質構造解析)

三菱総合研究所

住友化学工業

三菱総合研究所日本製鋼所

(元素分析)

住友化学工業

(高分子構造解析)

7

主な技術開発の成果

装置開発

• 中性子ｲﾒｰｼﾞﾝｸﾞﾌﾟﾚｰﾄ (nIP)とそれを用いた構造生物回折計(BIX)の開発 （原研）

• 中性子ｽﾋﾟﾝｴｺｰ装置(NSE)の開発 （広大、物性研）• 中性子ｽﾋﾟﾝ干渉計の開発 （京大）• 六重極ﾏｸﾞﾈｯﾄ中性子収束・偏極ﾃﾞﾊﾞｲｽとそれを用いた収束型小角散乱装置(F-SANS)の開発（理研、原研）

• ８台の３軸型中性子分光器の整備 （原研、物性研、東北大）

周辺機器開発

• ｲｵﾝﾌﾗｯｼﾝｸﾞによる高性能ｽｰﾊﾟｰﾐﾗｰ開発 （原研）• 中性子実験用ﾍﾘｳﾑﾌﾘｰ冷凍機の開発 （原研）

8

主な利用研究の成果

物性科学

• 低次元磁性体の相転移と磁気励起• 強相関電子系物質のｽﾋﾟﾝ－格子ﾀﾞｲﾅﾐｸｽ（超伝導、巨大磁気抵抗）• 強誘電体ﾘﾗｸｻｰのナノ分極領域生物科学

• ﾀﾝﾊﾟｸ質の水素・水和構造解析（BIX）→ﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽ国際ｾﾝﾀｰ （原研）• 植物根成長の非破壊その場観察（中性子ﾗｼﾞｵｸﾞﾗﾌｨ･ﾄﾓｸﾞﾗﾌｨ)高分子科学

• ﾏｲｸﾛｴﾏﾙｼﾞｮﾝのスローダイナミクス• ﾌﾞﾛｯｸ共重合ポリマーの形態産業利用

• 大型構造材料内の残留応力評価（自動車部品、溶接パイプ）• 大型製造物内部構造可視化（ｴﾝｼﾞﾝ、燃料電池）• 磁性材料・誘電材料・ｴﾈﾙｷﾞｰ材料などの結晶・磁気構造評価• ｼﾘｺﾝﾄﾞｰﾋﾟﾝｸﾞ（半導体材料）

9

Ｘ線で観た構造

中性子で観た構造

水分子

生物用中性子回折計の開発と

タンパク質の水素・水和構造の研究

中性子検出器：

中性子イメージングプレート(nIP)の開発

入射中性子ビーム：

集光技術の開発

タンパク質・DNAの結晶成長メカニズム解明と結晶性評価；溶解度曲線から最適結晶化条件を絞り込み、中性子実験用の大型で良質の単結晶を合理的に作製する。

試料：

タンパク質結晶育成技術の開発

中性子回折データ

ニワトリ卵白リゾチーム水素・水和構造解析の成功

新村（茨城大／原研）他

BIX-3検出器上の中性子回折パターン

水素・水和水データベース HHDBの構築

中性子回折計BIX-3の開発

創薬への貢献

10

低次元磁性体・強相関電子系物質のｽﾋﾟﾝﾀﾞｲﾅﾐｸｽ

1990年代最大のトピックス世界を驚かせたｽﾋﾟﾝ･ﾊﾟｲｴﾙｽ SP 無機物質CuGeO3の発見（内野倉ｸﾞﾙｰﾌﾟ／東大）と

日本ｸﾞﾙｰﾌﾟ主導の組織的・系統的な中性子散乱実験

理想的な原子炉定常中性子と加速器ﾊﾟﾙｽ中性子の役割分担

三軸型中性子分光器（JRR-3、左）により観測された磁気分散関係（上）(M. Nishi et al. PR B50 , 6508,1994)

TSP=14K を示す帯磁率(M. Hase et al. PRL 70 ,3651, 1993)

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

ISISﾊﾟﾙｽ中性子により測定された広範囲な領域での磁気分散関係(M. Araii et al. PRL 77 , 3649,1996)

３軸型中性子分光器の開発

磁気励起の

観測成功

低次元磁性体の量子効果を理解

11

残留応力評価法の開発と利用

残留応力解析用中性子回折装置ＲＥＳＡ

・最小測定体積：2mm×2mm×2mm・１プロファイル測定時間：6時間程度

（アルミニウム製品）・応力分解能：±30MPa程度（鉄鋼）・測定対象：工業製品サンプル

測 定 部 分

A

R

H

0

0 m m

-1 0 m m

+ 1 0 m m

吸気孔

排気口

点火プラグ孔 020

40

60

80

100

120

140

160

-10 -5 0 5 10

POSITION FROM CENTER (mm)

STRESS (MPa)

自動車エンジン内部の応力測定 健全性診断

製造方法の改善 高性能低価格エンジン完成

10mm

Scattered beam

Incident beam50mm

0 2 4 6 8 1010

20

30

-0.18-0.16-0.14-0.12-0.1

-0.08-0.06-0.04-0.02

00.020.040.060.080.1

0.12

STR

ESS

(GPa

)

Radial Position (mm)

AxialPosition

HOOP RESIDUAL STRESS

R= 40mm

き裂進展方向

き裂を導入した溶接配管の残留応力分布測定

き裂進展方向

き裂を導入した溶接配管の残留応力分布測定

き裂進展方向

き裂を導入した溶接配管の残留応力分布測定

RESA利用の３０％が有償利用（２００４年度）

工業製品の材料強度評価・健全性評価

大型構造材料への適用 残留応力評価法の開発

12

主な国際協力

●日米協力「中性子散乱」

政府間協定：文科省（原研・物性研）

米国ｴﾈﾙｷﾞｰ省（ｵｰｸﾘｯｼﾞ 、ﾌﾞﾙｯｸﾍﾌﾞﾝ国立研究所）

●日英「中性子検出器開発」

研究機関間協定：原研ーﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞｱｯﾌﾟﾙﾄﾝ研究所

●日インドネシア「研究炉利用」

研究機関政府間協定：原研ーインドネシア原子力庁

13

アジア地域で最もよく共同利用されている施設

冷中性子源設置

予算化済

建設中、2006 完成予定

2004.3 臨界達成

2006運転永久停止予定

財政危機による運転時間短縮（以前は200日以上）

EU 13ヶ国共同運営機関

PSB（構造生物学パートナーシップ）や

MINATECを推進中

DOE、ユーザーから最も共同利用の評判の高い施設米国｢燃料電池｣開発戦略拠点

DOEによる高度化推進拠点施設

ナノサイエンスセンター併設

特筆事項他

固体物性材料

高分子科学生命科学

固体物性材料

高分子科学

固体物性材料化学

固体物性材料

高分子科学生命科学

固体物性材料

高分子科学

固体物性材料

高分子科学生命科学

固体物性材料

高分子科学固体物性高分子科学

主な研究分野

1990 改造

199720062004196219801972, 1993 改造19701967中性子源完成

年

2568>10 planned62226249 (現在)

17(2006改造後)

中性子散乱装置台数

1/01(設置中)/01/01/01/01/02月1日1/01（2005新設予定）/0

冷中性子源／熱外中性子源

数

3x10143x10143x10148x10142x10142x10141.5x10153x10142.1x1015炉心での熱中性子束

(n/cm2/s)

203020202015582085熱出力(MW)

日本原子力研究所 JAERI

韓国原子力研究所 KAERI

豪州原子力研究機構 ANSTO

ミュンヘン工科大

ユーリッヒレオンブリリュアン研究所

LLB

ラウエランジュバン研究所

ILL

国立標準技術研究所 NIST商務省

オークリッジ国立研究所

ORNLDOE

研究機関

JRR-3(日)HANARO（韓）OPALFMR-II（独）FRJ-II（独）ORPHEE（仏）HFR（仏）NBSRHFIR 中性子源

アジアオーストラリア欧州米国国／地域

世界の主な「原子炉」中性子ビーム施設

14

固体物性材料

高分子科学生命科学

第２ターゲッ計画進行中（2007年完成予定）

1985/2007

17

1.8x1016

液体水素・液体メタン・水

Ta

50

160kW

800/200

ラザフォードアップルトン研究所

RAL

ISIS（英）

建設中（2008.4完成予定）

世界初のパルス中性子専用施設（２００６

年停止予定）

最も早い時期に計画されたが延期

建設中（2006完成予定）

ナノサイエンスセンター併設

ナノサイエンスセンター併設

ナノサイエスンセタンー併

設特筆事項他

固体物性材料

高分子科学生命科学

固体物性材料

高分子科学生命科学

-

固体物性材料

高分子科学

固体物性材料

高分子科学生命科学

固体物性材料

高分子科学生命科学

固体物性材料

高分子科学生命科学

主な研究分野

2008.41980?19962006.619831981中性子源完成年

2315401524712中性子散乱装置台数

1.25x10175x10146.3x10171.25x10171.8x10176.7x10155x1015積分速中性子数(n/s)

液体水素固体メタン・水

液体水素・固体メタン

液体重水素・重水

液体水素・水固体メタン・水

固体メタン・水減速材

HgWHgジルカロイHgW濃縮Uターゲット材料

252010/50連続602030繰返数(Hz)

1MW4.5kW5MW/5MW1MW1.4MW56kW8.1kW陽子ビーム出力

3000/333500/91333/7500590/15001000/1400800/70450/18陽子エネルギー

(MeV)/電流(µA)

原研・高エネ機構高エネ機構KEK未定

ポールシェラー研究所

オークリッジ国立研究所

ORNL（DOE）

ロスアラモス国立研究所 LANL（DOE）

アルゴンヌ国立研究所

ANL（DOE）

研究機関（所轄）／所在地

JSNSKENSESS(EU)PSI（スイス）SNSLANSCEIPNS中性子源

日本欧州米国国／地域

世界の主な「加速器」中性子ビーム施設

中性子ビームの供給・利用の現状・動向JRR-3における中性子ビーム実験設備JRR-3 中性子ビーム実験利用の推移JRR-3における中性子散乱実験利用の需給日数の推移JRR-3 JRR-4における中性子ビーム実験利用及び照射利用JRR-3における中性子ビーム実験の分野別利用主な技術開発の成果主な利用研究の成果生物用中性子回折計の開発とタンパク質の水素・水和構造の研究低次元磁性体・強相関電子系物質のｽﾋﾟﾝﾀﾞｲﾅﾐｸｽ残留応力評価法の開発と利用主な国際協力世界の主な「原子炉」中性子ビーム施設世界の主な「加速器」中性子ビーム施設